Wu Enhui, Qiao Liang*
Jurusan Kimia, Universitas Fudan, Shanghai 200433, Cina
Mikroorganisme raket patalina jeung panyakit jeung kaséhatan manusa. Kumaha ngartos komposisi komunitas mikroba sareng fungsina mangrupikeun masalah utama anu kedah ditaliti sacara gancang. Dina taun-taun ayeuna, metaproteomik parantos janten sarana téknis anu penting pikeun diajar komposisi sareng pungsi mikroorganisme. Sanajan kitu, alatan pajeulitna sarta heterogeneity tinggi sampel komunitas mikroba, pamrosésan sampel, akuisisi data spéktrometri massa jeung analisis data geus jadi tilu tantangan utama ayeuna Nyanghareupan ku metaproteomics. Dina analisis metaproteomics, mindeng diperlukeun pikeun ngaoptimalkeun pretreatment tina tipena béda sampel sarta ngadopsi skéma pamisahan mikroba, pengayaan, ékstraksi jeung lisis béda. Sarupa jeung proteome hiji spésiés, mode akuisisi data spéktrometri massa dina metaproteomics ngawengku mode akuisisi data-dependent (DDA) jeung mode akuisisi data-independent (DIA). Mode akuisisi data DIA tiasa lengkep ngumpulkeun inpormasi péptida tina sampel sareng gaduh poténsi pangembangan anu saé. Sanajan kitu, alatan pajeulitna sampel metaproteome, analisis data DIA na geus jadi masalah utama nu ngahalangan sinyalna jero metaproteomics. Dina hal analisis data, léngkah anu paling penting nyaéta pangwangunan database sekuen protéin. Ukuran jeung completeness database teu ngan boga dampak gede dina jumlah idéntifikasi, tapi ogé mangaruhan analisis dina spésiés jeung tingkat fungsional. Ayeuna, standar emas pikeun pangwangunan database metaproteome nyaéta database runtuyan protéin dumasar kana metagénome. Dina waktu nu sarua, métode nyaring database publik dumasar kana pilarian iterative ogé geus kabuktian boga nilai praktis kuat. Tina sudut pandang strategi analisis data khusus, metode analisis data DIA anu berpusat péptida parantos nempatan arus utama anu mutlak. Kalawan ngembangkeun learning jero tur kecerdasan jieunan, éta bakal greatly ngamajukeun akurasi, sinyalna jeung analisis speed analisis data macroproteomic. Dina hal analisis bioinformatika hilir, runtuyan alat anotasi parantos dikembangkeun dina taun-taun ayeuna, anu tiasa ngalaksanakeun anotasi spésiés dina tingkat protéin, tingkat péptida sareng tingkat gén pikeun kéngingkeun komposisi komunitas mikroba. Dibandingkeun sareng metode omics anu sanés, analisa fungsional komunitas mikroba mangrupikeun fitur unik tina macroproteomics. Macroproteomics geus jadi bagian penting tina analisis multi-omics komunitas mikroba, sarta masih boga potensi ngembangkeun hébat dina watesan jero cakupan, sensitipitas deteksi, sarta completeness analisis data.
01 Sampel pretreatment
Ayeuna, téhnologi metaproteomics geus loba dipaké dina panalungtikan microbiome manusa, taneuh, kadaharan, sagara, sludge aktif jeung widang lianna. Dibandingkeun jeung analisa proteome tina hiji spésiés, sampel pretreatment of metaproteome sampel kompléks nyanghareupan leuwih tantangan. Komposisi mikroba dina sampel sabenerna kompléks, rentang dinamis tina kaayaanana badag, struktur témbok sél tina tipena béda mikroorganisme béda pisan, sarta sampel mindeng ngandung jumlah badag protéin host jeung najis lianna. Ku alatan éta, dina analisa metaproteome, mindeng diperlukeun pikeun ngaoptimalkeun tipena béda sampel sarta ngadopsi skéma pamisahan mikroba, pengayaan, ékstraksi jeung lysis béda.
Ékstraksi metaproteom mikroba tina sampel béda boga kamiripan tangtu ogé sababaraha béda, tapi ayeuna aya kurangna prosés pre-processing ngahiji pikeun tipena béda sampel metaproteome.
02Acquisition data spéktrometri massa
Dina analisis proteome shotgun, campuran péptida sanggeus pretreatment munggaran dipisahkeun dina kolom kromatografi, lajeng diasupkeun spéktrométer massa pikeun akuisisi data sanggeus ionisasi. Sarupa jeung analisis proteome spésiés tunggal, modus akuisisi data spéktrometri massa dina analisis makroproteom ngawengku mode DDA jeung mode DIA.
Kalayan iterasi kontinyu sareng pembaruan instrumen spéktrométri massa, instrumen spéktrométri massa kalayan sensitipitas sareng résolusi anu langkung luhur diterapkeun kana metaproteome, sareng jerona cakupan analisis metaproteom ogé terus ningkat. Pikeun lila, runtuyan instrumen spéktrometri massa resolusi luhur dipingpin ku Orbitrap geus loba dipaké dina metaproteome.
Méja 1 téks aslina nembongkeun sababaraha studi wawakil metaproteomics ti 2011 nepi ka kiwari dina watesan tipe sampel, strategi analisis, instrumen spéktrometri massa, métode akuisisi, software analisis, sarta jumlah idéntifikasi.
03Analisis data spéktrometri massa
3.1 Strategi analisis data DDA
3.1.1 Pilarian Database
3.1.2de novostrategi sequencing
3.2 strategi analisis data DIA
04Klasifikasi spésimén sareng anotasi fungsional
Komposisi komunitas mikroba dina tingkat taksonomi anu béda nyaéta salah sahiji daérah panalungtikan konci dina panalungtikan mikrobiom. Dina taun-taun ayeuna, séri alat anotasi parantos dikembangkeun pikeun ngémutan spésiés dina tingkat protéin, tingkat péptida, sareng tingkat gen pikeun kéngingkeun komposisi komunitas mikroba.
Intina anotasi fungsional nyaéta pikeun ngabandingkeun runtuyan protéin target sareng database runtuyan protéin fungsional. Ngagunakeun basis data fungsi gén kayaning GO, COG, KEGG, eggNOG, jsb, analisis annotation fungsi béda bisa dipigawé dina protéin dicirikeun ku macroproteomes. Alat anotasi kalebet Blast2GO, DAVID, KOBAS, jsb.
05Ringkesan sareng Outlook
Mikroorganisme maénkeun peran anu penting dina kaséhatan sareng panyakit manusa. Dina taun-taun ayeuna, metaproteomik parantos janten sarana téknis anu penting pikeun ngulik fungsi komunitas mikroba. Prosés analitis metaproteomics sarua jeung proteomics spésiés tunggal, tapi alatan pajeulitna objék panalungtikan metaproteomics, strategi panalungtikan husus kudu diadopsi dina unggal hambalan analisis, ti pretreatment sampel, akuisisi data pikeun analisis data. Ayeuna, berkat perbaikan métode pretreatment, inovasi kontinyu tina téhnologi spéktrométri massa sarta ngembangkeun gancang bioinformatics, metaproteomics geus nyieun kamajuan hébat dina jero idéntifikasi jeung wengkuan aplikasi.
Dina prosés pra-perlakuan sampel macroproteome, alam sampel kudu dianggap munggaran. Kumaha carana misahkeun mikroorganisme tina sél lingkungan jeung protéin mangrupa salah sahiji tantangan konci nyanghareup macroproteomes, sarta kasaimbangan antara efisiensi separation jeung leungitna mikroba mangrupa masalah urgent kudu direngsekeun. Bréh, ékstraksi protéin mikroorganisme kudu tumut kana akun béda disababkeun ku heterogeneity struktural baktéri béda. Sampel macroproteome dina rentang renik ogé merlukeun métode pre-perlakuan husus.
Dina hal instrumén spéktrométri massa, instrumén spéktrométri massa mainstream geus ngalaman transisi tina spéktrométri massa dumasar kana analisa massa Orbitrap kayaning LTQ-Orbitrap jeung Q Exactive kana spéktrométer massa dumasar kana mobilitas ion gandeng analisa massa waktu-of-flight kayaning timsTOF Pro. . Runtuyan timsTOF instrumen sareng inpormasi dimensi mobilitas ion gaduh akurasi deteksi anu luhur, wates deteksi rendah, sareng kabisaulangan anu saé. Aranjeunna laun-laun jadi instrumén penting dina rupa-rupa widang panalungtikan anu merlukeun deteksi spéktrometri massa, saperti proteome, metaproteome, jeung metabolom tina hiji spésiés. Eta sia noting yén pikeun lila, rentang dinamis tina instrumen spéktrometri massa geus ngawatesan jero cakupan protéin panalungtikan metaproteome. Dina mangsa nu bakal datang, instrumen spéktrometri massa kalawan rentang dinamis nu leuwih gede bisa ngaronjatkeun sensitipitas jeung akurasi idéntifikasi protéin dina metaproteomes.
Pikeun akuisisi data spéktrométri massa, sanajan mode akuisisi data DIA geus loba diadopsi dina proteome hiji spésiés, lolobana analisis macroproteome ayeuna masih ngagunakeun mode akuisisi data DDA. Mode akuisisi data DIA tiasa pinuh kéngingkeun inpormasi ion fragmén tina sampel, sareng dibandingkeun sareng mode akuisisi data DDA, éta gaduh poténsi pikeun nampi inpormasi péptida tina sampel makroproteome. Sanajan kitu, alatan pajeulitna tinggi data DIA, analisis data makroproteome DIA masih nyanghareupan kasusah hébat. Kamekaran intelijen buatan sareng pembelajaran jero dipiharep tiasa ningkatkeun katepatan sareng kalengkepan analisis data DIA.
Dina analisis data metaproteomik, salah sahiji léngkah konci nyaéta pangwangunan database sekuen protéin. Pikeun daérah panalungtikan anu populér sapertos flora peujit, pangkalan data mikroba peujit sapertos IGC sareng HMP tiasa dianggo, sareng hasil idéntifikasi anu saé parantos kahontal. Kanggo sabagéan ageung analisa metaproteomik anu sanés, strategi pangwangunan pangkalan data anu paling mujarab nyaéta tetep ngadamel database sekuen protéin khusus sampel dumasar kana data sekuen metagénomik. Pikeun sampel komunitas mikroba jeung pajeulitna tinggi jeung rentang dinamis badag, perlu pikeun ngaronjatkeun jero sequencing pikeun ngaronjatkeun idéntifikasi spésiés low-kalimpahan, kukituna ngaronjatkeun cakupan tina database runtuyan protéin. Nalika sequencing data kurang, hiji metoda pilarian iterative bisa dipaké pikeun ngaoptimalkeun database umum. Sanajan kitu, pilarian iterative bisa mangaruhan kadali kualitas FDR, jadi hasil pilarian kudu taliti dipariksa. Sajaba ti éta, applicability model kontrol kualitas FDR tradisional dina analisis metaproteomics masih patut Ngalanglang. Dina hal strategi pamilarian, strategi perpustakaan spéktral hibrid tiasa ningkatkeun jerona cakupan metaproteomik DIA. Dina taun-taun ayeuna, perpustakaan spéktral anu diprediksi dumasar kana diajar jero parantos nunjukkeun prestasi anu unggul dina proteomik DIA. Sanajan kitu, database metaproteome mindeng ngandung jutaan éntri protéin, nu ngakibatkeun skala badag perpustakaan spéktral diprediksi, meakeun loba sumber komputasi, sarta hasil dina spasi pilarian badag. Sajaba ti éta, kasaruaan antara runtuyan protéin dina metaproteomes greatly rupa-rupa, sahingga hésé pikeun mastikeun akurasi model prediksi perpustakaan spéktral, jadi diprediksi perpustakaan spéktral teu loba dipaké dina metaproteomics. Salaku tambahan, inferensi protéin anyar sareng strategi anotasi klasifikasi kedah dikembangkeun pikeun dilarapkeun kana analisis metaproteomik protéin anu sami-sami sekuen.
Ringkesanna, salaku téknologi panalungtikan microbiome anu muncul, téknologi metaproteomik parantos ngahontal hasil panilitian anu signifikan sareng ogé gaduh poténsi pangembangan anu ageung.
waktos pos: Aug-30-2024